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CrMo合金材料:42CrMo4 套筒 失效分析

CrMo合金材料:42CrMo4套筒失效分析 

最近接触到一批长筒工件(见图1),在成品回厂验收时,发现4件产品内孔表面有裂纹,对其中最为典型的以一件进行剖切取样分析,如图2、图3所示。

1.理化检测及其结果

(1)化学成分

利用直读光谱仪检测H1试样的化学成分,结果如表1所示。

1  H1试样光谱化学成分分析结果(质量分数)    %

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

Cu

标准EN10083-3

0.380.45

0.40

0.600.90

0.025

0.025

0.901.20

0.150.30

实测

0.40

0.22

0.74

0.010

1.14

0.225

0.13

0.03

(2)硬度

利用洛氏硬度计检测H1和B1试样壁厚方向的硬度值,其结果如表2所示。

2  H1B1试样壁厚方向硬度分布(HRC

     硬度

试样

1

2

3

4

5

平均值

H1

29.0

25.8

26.3

27.7

28.0

27.4

B1

30.3

30.6

28.7

29.1

23.6

28.5

(3)显微组织

将H1试样分别沿N面和K面(见图4)进行磨抛(N面为内孔表面,K面为沿壁厚方向磨抛面),并利用显微镜依次观察。N面磨抛后裂纹形态,如图5所示。然后利用4%硝酸酒精溶液对磨抛面进行侵蚀,观察裂纹附近显微组织,如图6所示。K面磨抛后的裂纹形态及侵蚀后显微组织如图7所示。

将B1试样(见图8)分别沿N面和K面进行磨抛并侵蚀(N为内孔表面,K为沿壁厚方向磨抛面),并在显微镜下依次观察裂纹形态及其附近显微组织。

B1试样内孔表面汇聚了多条裂纹,在显微镜下,其形态如图9所示。然后利用4%硝酸酒精进行侵蚀,观察内孔表面裂纹附近显微组织,如图10所示。

B1试样壁厚方向磨抛后,其裂纹形态如图11所示。

将K面利用4%硝酸酒精溶液侵蚀后观察裂纹附近显微组织,如图12所示。

2.结果分析

从以上分析结果来看,该件所用原材料化学成分符合EN 10083-3中42CrMo4的要求,未发现有含量超标的元素。从截取的试块硬度检测结果来看,套筒沿厚度方向硬度没有明显的梯度变化,这说明淬火时工件已淬透,并且回火充分。


从套筒实际热处理过程来看,其实际热处理工艺曲线如图13所示,生产过程未发现异常。

从试样磨抛后观察到的裂纹形态来说,试样H1和试样B1内孔表面和壁厚方向上裂纹尖端均呈现比较尖锐的特点,其扩展路径上则呈现出穿晶的特征,是典型的淬火裂纹。从侵蚀后的显微组织来看,两个试样裂纹附近的显微组织均为回火索氏体,未发现大块状铁素体及长条状铁素体分布,裂缝两侧未发现明显的氧化脱碳层。这说明,裂纹是在热处理过程中形成的。


实际上,对于长筒成品件来说,壁厚分别为40mm(薄壁端)和52mm(厚壁端),总的来说,内孔比较长,内径较小且壁厚属于42CrMo4钢,可以完全淬透的范围,淬火时组织应力比较大。同时,对于内径较小的深孔零件,由于内表面比外表面冷却速度小得多,残余热应力的作用小,则受到的拉应力比外表面大,易在内表面形成纵向裂纹,甚至多条并列(见图14)。

3.结论及预防措施

(1)通过本体取样分析可知,该套筒裂纹属于典型的淬火裂纹,是由于淬火时工件内应力过大,特别是内孔表面拉应力过大,造成工件内孔表面开裂。


(2)为了避免该类裂纹的产生,可以采取降低淬火温度、增加淬火介质沿内孔穿流速度和效率、提高终冷温度等措施,以降低淬火应力,避免工件开裂。


作者:尚贺军、赵丽美、任秀凤、郑元孟、刘守峰、张永庆、秦英超、李智彬,山东伊莱特重工有限公司。

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